管—板单面电阻点焊环形熔核形成过程及性能研究

论文摘要

汽车轻量化是目前汽车设计制造的发展方向之一。液压成形管(Tubular Hydroforming)作为一种新的结构工艺零部件,以其低零件数、低组装成本和高结构完整性等优点在轻量化车身结构中逐渐被广泛应用。然而,在车身制造装配过程中,如何将不规则的液压成形管件与车身薄板进行有效连接并保证接头强度是亟待解决的关键问题。电阻点焊工艺由于其高效率、低成本的突出优点一直是轿车车身制造与装配中的首选连接方法。管板单面电阻点焊因其焊接过程中双面加压单面成核的特点,是实现液压成形管件与车身薄板连接的新方法。然而,管板点焊过程中由于管的刚度较小,在气动焊枪恒定压力作用下,其形成的焊接质量很难保证。目前,针对管板单面电阻点焊熔核形成机理及焊点强度预测等研究,仍旧缺乏有效的研究手段和焊点质量控制方法。针对上述问题,本文首先对管板单面电阻点焊与传统板板点焊的特点进行了对比分析,指出采用伺服焊枪更有利于管板之间的焊接,并建立了伺服焊枪管板单面电阻焊试验系统;通过建立多场耦合作用下管板单面电阻点焊熔核形成过程的有限元仿真模型,揭示管板焊接过程环形熔核形成机理;采用拉丁正交超立方法试验方法,建立管板焊接环形熔核拉剪强度预测模型;在此基础上进行理论分析和试验研究,获得不同焊接工艺参数对焊点强度的影响规律;针对管板焊接结构特点及工艺参数影响规律,利用伺服焊枪变电极压力控制特性,提出通过减小焊接过程中的电极压力来增加管板焊焊点强度的方法。论文的研究成果为提高管板点焊接头质量和实际应用提供理论基础和参考。具体开展了以下几个方面的研究工作:(1)管板单面电阻点焊物理过程和试验系统在回顾传统板板点焊过程的基础上,分析了管板单面电阻点焊的特点,由于管的刚度较小,在焊接过程中存在大变形,将直接影响到熔核的生成过程和熔核形态,探讨利用伺服焊枪的柔性控制特点进行管板单面点焊的可行性,并建立集成伺服焊枪、机器人和焊接控制器的焊接试验系统;设计专门的柔性的焊接夹具用于管板焊接中焊接件的固定;采用激光位移传感器,并通过采集卡和串口与电脑连接,建立了电极位移采集系统,用于焊接过程电极位移的采集。(2)管板单面电阻点焊环形熔核形成过程多场耦合分析建立电、热及结构耦合的管板单面电阻点焊熔核形成过程有限元模型,对焊接过程的预压与通电过程进行仿真计算。研究发现,预压阶段,在电极和板以及板和管之间已形成了环形的接触区,电极和板间的压力较集中,压力值大,管和板间压力区域相对较宽,压力值较小,同时在该接触面的远离轴线处存在一个压力值很小的“副接触区”。焊接通电初始阶段,在电极端面边缘和板的接触处首先出现一个高温区,这将直接加重管板焊接中的电极磨损;通电过程中,电极和板以及板和管的接触部分存在向远离轴线方向的偏移过程,而温度场的高温区也随着接触区的变化动态地改变着,两者相互作用,相互影响,使熔核的形成较困难,焊接所需通电时间相对较长;“副接触区”导致通电过程中一直存在分流现象,使板上表面将产生局部高温区,容易发生飞溅;在管和板的接触面上最终形成环形熔核,和传统的熔核相比,其焊透率较小。(3)管板单面电阻点焊环形熔核力学性能预测研究由于管板焊熔核形状的特殊性,传统焊点质量评判的公式已经不能适用该焊核。文中建立了单次拉剪试验有限元模型,采用拉丁正交超立方方法设计试验,对仿真拉剪试验的结果进行回归分析,研究了试件的材料属性、几何尺寸及形成的熔核尺寸对焊点强度的贡献程度,建立了焊点强度和熔核尺寸之间的关系式,为焊后通过环形熔核的外表特征判断熔核是否合格提供依据。(4)焊接规范参数对管板单面电阻点焊焊点质量影响研究基于前两章的模型和研究结果,理论上分析了焊接过程中点焊的工艺参数(包括焊接电流、通电时间和焊接压力)对熔核形成过程的影响,并通过试验研究了焊接参数等对焊点质量的影响规律;在此基础上,研究了不同结构尺寸(包括管剖面宽度和管厚度)的焊接件焊接时对工艺参数的要求,为管板焊实践中选择焊接参数提供理论依据。(5)基于变电极压力的管板单面点焊焊点质量控制方法基于上述仿真分析和试验研究,利用伺服焊枪变电极压力控制特性,提出通过改变焊接过程中的电极压力来提高管板焊接质量的方法。分别对焊接过程不同阶段的电极压力进行了变化,并对压力改变后获得的焊点质量进行对比分析。结果表明,焊接通电过程的电极力减小可明显提高管板焊焊点的拉剪强度,减小焊接过程焊接件的变形,改善焊后焊件表面的质量,提高管板焊的可焊性。本文研究以数值模拟结合试验进行分析,对管板焊接过程、焊后熔核的力学特征及质量影响因素进行了系统的研究,研究结果对管板焊接过程的进一步认识及生产线上广泛的应用具有重要的借鉴和指导作用。因此,本文具有重要的理论价值和实践意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景、意义及来源
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 课题的目的及意义
• 1.1.3 课题来源
• 1.2 电阻点焊及管板单面点焊的研究现状综述
• 1.2.1 电阻点焊过程熔核生成机理研究
• 1.2.2 电阻点焊质量控制研究
• 1.2.3 管板单面电阻点焊研究
• 1.2.4 研究现状总结
• 1.3 本文研究内容和章节安排
• 第二章 管板单面电阻点焊物理过程和试验系统
• 2.1 引言
• 2.2 管板单面电阻点焊物理过程
• 2.3 管板单面电阻点焊特点
• 2.3.1 熔核形貌
• 2.3.2 电极位移
• 2.3.3 焊接参数特点
• 2.3.4 电极形状的选择
• 2.4 管板单面电阻点焊存在的问题
• 2.5 管板单面电阻点焊试验系统
• 2.5.1 伺服焊枪试验系统建立
• 2.5.2 管板焊夹具设计
• 2.5.3 电极位移测量装置
• 2.5.4 管板单面电阻点焊装置图
• 2.6 本章小结
• 第三章 管板单面电阻点焊环形熔核形成过程多场耦合分析
• 3.1 引言
• 3.2 电阻点焊基本理论分析
• 3.2.1 热弹塑性应力应变关系
• 3.2.2 点焊过程的热源及热损
• 3.2.3 点焊过程的接触现象
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.3.1 计算模型与模型假设
• 3.3.2 控制方程阻
• 3.3.3 网格划分
• 3.3.4 边界条件
• 3.3.5 材料的物理性能及相关参数
• 3.3.6 单面电阻点焊电热力耦合求解流程
• 3.4 管板单面电阻点焊物理过程研究
• 3.4.1 预压接触分析
• 3.4.2 焊接通电过程力学行为分析
• 3.4.3 焊接通电过程温度场分析
• 3.4.4 焊接通电过程电流密度分析
• 3.5 模型的试验验证
• 3.5.1 熔核尺寸模拟结果和金相试验对比
• 3.5.2 电极位移模拟结果和测试结果对比
• 3.6 本章小结
• 第四章 管板单面电阻点焊环形熔核力学性能预测研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算机仿真试验基本理论
• 4.2.1 拉丁正交列超立方体试验设计
• 4.2.2 弹塑性应力应变及弹塑性接触分析
• 4.2.3 回归分析
• 4.3 基于计算机仿真的超立方试验基本流程
• 4.4 参数（变量）选取及变化范围确定
• 4.4.1 输入输出变量选取
• 4.4.2 变量取值
• 4.5 拉丁正交超立方体试验设计
• 4.6 拉剪模拟试验模型
• 4.6.1 计算模型与模型假设
• 4.6.2 网格划分与边界条件
• 4.6.3 材料的物理性能及相关参数
• 4.6.4 计算结果及分析
• 4.7 环形焊点力学性能影响因素回归分析
• 4.7.1 单因素影响作用
• 4.7.2 多因素综合影响
• 4.7.3 焊点力学性能与影响因素关系式
• 4.8 模型的试验验证
• 4.9 本章小结
• 第五章 焊接规范参数对管板点焊焊点质量影响研究
• 5.1 引言
• 5.2 点焊工艺参数对熔核质量影响研究
• 5.2.1 焊接电流的影响
• 5.2.2 通电时间的影响
• 5.2.3 恒定电极压力的影响
• 5.3 焊接件结构参数对焊接工艺参数的要求
• 5.3.1 管横截面宽度
• 5.3.2 管板厚度
• 5.4 本章小结
• 第六章 基于变电极压力的管板单面点焊焊点质量控制方法
• 6.1 引言
• 6.2 变电极压力的定义
• 6.3 伺服焊枪压力线控制的编程操作
• 6.4 通电过程电极压力变化对熔核强度影响分析
• 6.4.1 电极压力变化对熔核尺寸影响的数值分析
• 6.4.2 电极压力变化对焊点强度影响的试验研究
• 6.5 各类型电极压力变化对熔核质量影响比较
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要研究内容和结论
• 7.1.1 管板单面电阻点焊物理过程和试验系统
• 7.1.2 管板单面电阻点焊熔核形成过程多场耦合分析
• 7.1.3 管板单面电阻点焊环形熔核力学性能预测研究
• 7.1.4 焊接规范参数对管板点焊焊点质量影响研究
• 7.1.5 基于变电极压力的管板单面点焊焊点质量控制方法
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 本文的不足之处及进一步研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 博士期间发表论文